孫錦劍

（上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

上海寶山某片區(qū)是上海市未來(lái)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的片區(qū)之一，未來(lái)幾年將在這里進(jìn)行大范圍的工程建設(shè)以及地下開(kāi)發(fā)。查明該區(qū)域承壓水水文地質(zhì)情況對(duì)后期地下開(kāi)發(fā)有著重要的指導(dǎo)作用。如何控制承壓水降水引起的地面沉降對(duì)于位移控制要求極高的地鐵、隧道等建（構(gòu)）筑物顯得尤為重要。

本文將結(jié)合上海寶山地區(qū)鄰近地鐵的深基坑抽水試驗(yàn)項(xiàng)目，預(yù)測(cè)減壓降水對(duì)基坑周邊地面沉降的影響，為基坑設(shè)計(jì)與施工提供降水建議。

1 基坑概況及周邊環(huán)境

本工程位于上海市寶山區(qū)某重點(diǎn)開(kāi)發(fā)片區(qū)，該項(xiàng)目是該片區(qū)率先開(kāi)發(fā)的商業(yè)項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目擬建兩層地下室，基坑開(kāi)挖深度10.95～11.75m，基坑周長(zhǎng)約677m，開(kāi)挖面積約19841m2。東側(cè)鄰近地鐵隧道，基坑邊線(xiàn)距離地鐵隧道約25.0m。出于對(duì)地鐵的保護(hù)，基坑共分5 個(gè)分區(qū)，地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，非地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，整體兩道鋼筋混凝土支撐。

2 工程地質(zhì)條件及突涌性計(jì)算

2.1 工程地質(zhì)條件。根據(jù)勘察報(bào)告，本項(xiàng)目場(chǎng)地為上海市常規(guī)地層，濱海平原地貌，場(chǎng)地110m 范圍之內(nèi)主要為①～⑧層土?；娱_(kāi)挖深度范圍內(nèi)場(chǎng)地地層主要為①～④層，多為軟土。場(chǎng)地涉及的承壓水為第⑦層砂質(zhì)粉土，該層土層厚8.0～10.0m，層頂最淺埋深20.0m。

2.2 基坑突涌性計(jì)算。第⑦層砂質(zhì)粉土，層頂最淺埋深20.0m，承壓水水位按上海地區(qū)最不利情況3.0m 考慮，采用安全系數(shù)法對(duì)不同開(kāi)挖深度的基坑進(jìn)行安全突涌可能性計(jì)算[1]（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1）。

表1 基坑突涌性計(jì)算

3 抽水試驗(yàn)及水文地質(zhì)參數(shù)求參

3.1 抽水試驗(yàn)簡(jiǎn)介。本工程采用群井抽水試驗(yàn)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)求參[2]。抽水試驗(yàn)?zāi)康膶訛榈冖邔由百|(zhì)粉土，共布置3 口抽水井，2 口觀測(cè)井；觀測(cè)井?dāng)?shù)量確保能夠反映承壓水頭降深和試驗(yàn)區(qū)外水力坡降情況，試驗(yàn)井布置圖如圖1 所示。

圖1 抽水試驗(yàn)井平面布置示意圖

3.2 抽水試驗(yàn)成果。群井抽水試驗(yàn)共歷時(shí)14 天，其中7 天抽水、7 天水位恢復(fù)。各試驗(yàn)井平均出水量分別為等參數(shù)見(jiàn)表2，持續(xù)抽水期間，各井出水量穩(wěn)定。

表2 抽水井出水量及各試驗(yàn)井抽水特征統(tǒng)計(jì)表

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)求參。根據(jù)群井抽水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)抽水井的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行整理，在三維計(jì)算模型中設(shè)置抽水試驗(yàn)井，將抽水試驗(yàn)井出水量代入三維數(shù)值模型中，進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的觀測(cè)井水位變化，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得到合理的承壓水分析參數(shù)[2]。

通過(guò)群井抽水試驗(yàn)同層位的3 口觀測(cè)井的實(shí)測(cè)降深曲線(xiàn)與數(shù)值模擬取得的計(jì)算降深曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，各觀測(cè)井水位對(duì)比見(jiàn)圖2 所示。

從群井抽水試驗(yàn)的模擬分析結(jié)果可以看出，圖2 中各觀測(cè)井的數(shù)值模擬水頭降深和實(shí)測(cè)水頭降深規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬結(jié)果反映了群井抽水試驗(yàn)降水過(guò)程中的觀測(cè)井水位的變化，可以看到兩者的偏差很小，滿(mǎn)足工程精度要求。

通過(guò)以上三維數(shù)值計(jì)算反演分析，第⑦層水平滲透系數(shù)為1.1（m/d），垂直滲透系數(shù)為0.11（m/d），儲(chǔ)水率為7.0E-03。

4 減壓降水引起的地面沉降預(yù)測(cè)

圖2 觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深曲線(xiàn)與模擬降深曲線(xiàn)對(duì)比圖

4.1 沉降計(jì)算理論[3]。根據(jù)飽和土有效應(yīng)力原理，抽取地下水引起的土層壓縮變形反映在土層孔隙的變化，而由土層孔隙的變化，可以求得土層的壓縮變形量。

依土的壓縮系數(shù)定義

式中，負(fù)號(hào)代表隨著有效應(yīng)力σ'的增量，孔隙比e 逐漸減少，下面推導(dǎo)孔隙比e 與土層變形的關(guān)系。

設(shè)土體初始高度為S0，變形后高度為S，土層壓縮變形ΔS=S0-S，上圖表示了土層高度、孔隙比、土粒體積和孔隙體積之間的關(guān)系，由于固體顆粒的體積Vs 變化很小，通常假定不變，故有：

式中：σ-土體垂向總應(yīng)力；p-孔隙水壓力

假定σ 保持不變，則dσ'=-dp

而依水頭H 的定義

若共有N 層土層，則總的沉降量為：

式中：ξ——為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

4.2 基坑減壓降水方案

由于第⑦層承壓水水位埋深較淺，基坑大面積存在突涌可能性，層厚較厚，是否隔斷承壓水對(duì)造價(jià)有較大的影響。故本文按是否將承壓水隔斷，設(shè)計(jì)兩種不同的降水方案，分別建立模型，分析隔斷承壓水的必要性。方案一按不隔斷承壓水考慮，此時(shí)止水帷幕長(zhǎng)度為21m，方案二按隔斷承壓水考慮，此時(shí)止水帷幕長(zhǎng)度為31m。針對(duì)兩種不同的方案分別進(jìn)行地面沉降預(yù)測(cè)，承壓水初始水頭按群井抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)值水位埋深3.50m 考慮。

4.3 地面沉降預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上節(jié)的討論方案，分別對(duì)方案一和方案二進(jìn)行三維有限元模擬，降水時(shí)間按60 天考慮，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 地面沉降預(yù)測(cè)等值線(xiàn)圖（單位mm）

由以上分析模擬結(jié)果可知，當(dāng)承壓水含水層未被隔斷時(shí)，承壓水減壓降水引起周邊地面的沉降較大；當(dāng)承壓水被隔斷時(shí)，壓水減壓降水引起周邊地面的沉降能顯著減小。

5 結(jié)論

上海寶山該片區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)深基坑的設(shè)計(jì)與施工風(fēng)險(xiǎn)較大。本文介紹了通過(guò)抽水試驗(yàn)獲取水文地質(zhì)參數(shù)的方法；利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬進(jìn)行由基坑減壓降水引起的地面沉降分析與預(yù)測(cè)，可以得到如下結(jié)論：

5.1 通過(guò)群井抽水試驗(yàn)得到水文地質(zhì)參數(shù)是合理的，能為該地區(qū)其他地塊提供參數(shù)參考。

5.2 采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬進(jìn)行由基坑減壓降水引起的地面沉降預(yù)測(cè)的結(jié)果是可靠的，符合工程實(shí)際，能為深基坑的設(shè)計(jì)與施工以及風(fēng)險(xiǎn)管控提供借鑒作用。

5.3 對(duì)于沉降較為敏感或者沉降控制要求較高的建（構(gòu)）筑物，由承壓水減壓降水引起的地面沉降不能忽視，需采取可靠的措施，進(jìn)而減小基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。